1824’te Fransız mühendis Sadi Carnot, şimdi Carnot motoru denilen hem teoride hem de pratikte çok önemli olan bir çevrim tanımlamıştır. Carnot, bu çevrime göre iki ısı kaynağı arasında tersinir olarak çalışan bir ısı makinasının, mümkün olan en yüksek verime sahip olduğunu göstermiştir. Yani, Carnot çevrimi boyunca ilerleyen bir maddenin yaptığı net iş, maddeye yüksek sıcaklıkta verilen enerji miktarı ile, sağlanan mümkün olan en büyük iştir. Carnot teoremi aşağıdaki gibi ifade edilebilir:
İki ısı kaynağı arasında çalışan bir ısı motorunun verimi, aynı ısı kaynakları arasında çalışan Carnot motorunun veriminden daha büyük olamaz.
Sadi Carnot; bir fransız fizikçidir. Carnot, ısı ve iş arasında nicel bir bağıntı olduğunu ilk gösteren Fıransız fizikiçidir. Isı makinalarının endüstriyel, politik ve ekonomik önemini ortaya koyan tek eseri “ısının hareket ettirici gücü üzerine düşünceler” adlı çalışması 1824’de yayınlanmıştır. Bu eserinde işi “bir yüksekliğe kaldıran ağırlık” olarak tanımlamıştır.
Bu teoremin geçerliliğini tartışmak için, aynı enerji kaynakları arasında çalışan iki ısı makinamız olsun. Bunlardan birisi Carnot motoru olsun. Carnot motorunun verimi EC, diğerinin verimi E olsun, E’nin EC’den büyük olduğunu düşünelim. Daha verimli motoru, Carnot matorunun bir Carnot buzdolabı olarak çalıştırmakta kullanalım. Böylece daha yüksek verimli motorunun iş çıkışı, Carnot buzdolabının iş girişine eşitlenir.
O halde makina (motor) ile buzdolabı bileşiminin çevresiyle hiçbir iş alışverişi oluşmaz. Makina, buzdolabından daha verimli olduğu varsayıldığından, bu bileşimin net sonucu, bileşim üzerinde iş yapılmaksızın soğuk kaynaktan sıcak kaynağa enerji transferi oluşmasıdır. Clasiuis’un ikinci kanun ifadesine göre bu imkansızdır. Bütün gerçek makinalar (motorlar), tersinir bir çevrim boyunca çalışmadıklarından verimleri, Carnot makinesinin veriminden daha azdır. Gerçek makinaların verimi, sürtünme ve iletim yoluyla enerji kaybı gibi güçlüklerden dolayı daha da azalır. Bu nedenle, e > ec kabulü yanlıştır.
Carnot çevrimini açıklamak üzere, Th ve Tc sıcaklıkları arasında kullanılan maddeyi bir ideal gaz kabul edeceğiz. Bu gazı, bir ucunda hareket edebilen bir piston bulunan bir silindir içinde düşüneceğiz. Silindir duvarları ve piston ısı bakımından iletken değildir. Carnot çevriminin dört kademesi yukarıdada gösterilmiştir. Aşağıda, bu çevrimin PV diagramıdır.
Carnot çevrimi, iki ad-yabatik, iki de izotermal işlem (süreç) içerir ve bunların tümü tersinir işlemlerdir:
A —> B işlemi, Th sıcaklığında, izotermal bir genleşmedir. Gaz Th sıcaklığındaki bir enerji kaynağı ile ısıl temastadır. Genleşme sırasında gaz Qh enerjisini silindirin tabanı yoluyla kaynaktan soğurur ve pistonu yükselterek WAB işini yapar.
B-> C işleminde, silindirin tabanı termal olarak yalıtılır ve gaz adyabatik olarak genleşir. Yani sistemden ayrılan veya sisteme giren ısı yoktur. Bu işlem süresince sıcaklık Th den Tc ye düşer ve yine gaz pistonu yükselterek WBC işini yapar.
C —> D işleminde, gaz Tc sıcaklığındaki kaynak ile ısıl temasdadır. Gaz Tc sıcaklığında, izotermal olarak sıkıştırılır. Bu sürede gaz, kaynağa enerjisini verir ve gaz üzerinde WCD işi yapılır.
Son D —> A işleminde, silindir tabanı termal olarak yalıtılır ve gaz adyabatik olarak sıkıştırılır. Gazın sıcaklığı Th ye yükseltilir ve gaz üzerine dıştan WDA işi yapılır.
Bu tersinir, kapalı çevrimde yapılan net iş, PV diagramında ABCDA yolu ile çevrelenen alana eşittir. Bir çevrimde yapılan net iş, sisteme aktarılan net ısı Qh – Qc ye eşittir. Böylece makinanın ısıl (termal) verimi aşağıdaki eşitliği ile verilir:
Böylece, bir Carnot motorunun ısıl verimi bu formül ile bulunur:
Bu sonuç eşdeğer iki sıcaklık arasında çalışan bütün Carnot motorlarının aynı verime sahip olacağını gösterir.